換流站諧波抑制及分析

董臣 梅寧 王冬偉

摘要：本文主要的工作是研究了高壓直流輸電系統(tǒng)中的諧波，對(duì)諧波的抑制進(jìn)行了綜合的分析，并結(jié)合龍泉換流站的實(shí)際情況，介紹了直流工程中諧波抑制的情況以及存在的一些問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電；諧波；諧波抑制；RTDS

1 引言

電力系統(tǒng)諧波的測(cè)量與分析已經(jīng)成為電力系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要研究方向。特別是在高壓直流系統(tǒng)投入以后，諧波污染日趨嚴(yán)重，成為電能質(zhì)量的重要參數(shù)之一。本文介紹諧波的產(chǎn)生危害，并以龍泉換流站為實(shí)例，簡(jiǎn)要分析了諧波濾除。

2 換流站諧波分析

直流系統(tǒng)中換流器事實(shí)上是一個(gè)諧波源，因?yàn)樵谄渲械碾妷汉碗娏鞒尸F(xiàn)的波形并不正弦波并且通過(guò)其的也非恒定直流，這些都表明其含有一定的諧波分量。在換流器兩側(cè)所產(chǎn)生的諧波分別為n=kp或n=kp±1，在公式中K可以指任意的正整數(shù)，P所指的是換流器的脈沖波數(shù)，上式中所表示的K次諧波因?yàn)槭钦麛?shù)倍數(shù)所以被稱為是特征諧波，而除此之外的都是非特征諧波。

實(shí)際直流輸電工程的運(yùn)行工況不可能和理想條件相同，換流變壓器流過(guò)的實(shí)際電流波形和直流電壓波形中，除含有特征諧波外，還包含其他次非特征諧波。非特征諧波在發(fā)生的位置、次數(shù)、幅值和相位上有各種組合，不管采用理論分析還是數(shù)字或模擬仿真，都不可能得到清晰的關(guān)系。

3 換流站諧波抑制

對(duì)諧波進(jìn)行抑制一般有以下幾種方法：1、安裝適當(dāng)?shù)碾娍蛊饕韵种C波；2、在設(shè)備上裝設(shè)濾波器；3、使用多相脈沖整流的方式降低諧波量；4、以降低諧波量為目的開(kāi)發(fā)新型的變流器。現(xiàn)國(guó)內(nèi)直流輸電工程中常見(jiàn)使用增加換流器脈沖數(shù)和裝設(shè)濾波器的方法來(lái)抑制諧波，下面主要就對(duì)增加換流器脈沖數(shù)和裝設(shè)濾波器的情況進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

首先脈動(dòng)數(shù)的改變會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流變的接線發(fā)生改變，接線方式會(huì)變得更為復(fù)雜，對(duì)于高壓直流輸電更難以滿足要求。因此國(guó)內(nèi)直流輸電工程普遍采用雙橋12脈沖換流器。

現(xiàn)直流輸電工程中，一般在換流器交、直流側(cè)裝設(shè)交、直流無(wú)源濾波器。無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，吸收諧波基礎(chǔ)上還可以補(bǔ)償無(wú)功，改善功率因數(shù)。此外，無(wú)源濾波器維護(hù)方便、技術(shù)設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)成熟。是目前最為廣泛的諧波抑制手段。

4 龍泉換流站諧波治理情況

龍政直流額定電流為3000A，脈動(dòng)換流器為12，雙極額定功率為3000MW。直流側(cè)的特征諧波為12的倍數(shù)次諧波，交流側(cè)的特征諧波為12的倍數(shù)±1次諧波。其直流側(cè)諧波電流實(shí)際測(cè)量值如下：

在上面的表格中我們不難看出：直流系統(tǒng)中同時(shí)存在著特征諧波和非特征諧波，在系統(tǒng)的電流低次諧波的含量相對(duì)比較大，其數(shù)值范圍集中在從2到50的區(qū)間中，在此時(shí)呈現(xiàn)出的功率數(shù)值區(qū)間就是由100Hz到2500Hz之間。

龍泉站自2009年起，多次發(fā)生極1 Z11（12/24次）直流濾波電容器因不平衡保護(hù)動(dòng)作而跳閘的情況。在理想情況下，電容器無(wú)故障時(shí)，流過(guò)不平衡CT的電流應(yīng)該為零或接近于零。當(dāng)發(fā)生電容器短路故障時(shí)，不平衡CT會(huì)流過(guò)相應(yīng)的電流。每次故障后龍泉站對(duì)12/24次直流濾波器均進(jìn)行了元件參數(shù)測(cè)試、阻抗頻率特性測(cè)試及不平衡電流測(cè)試。測(cè)試結(jié)果為C1四橋臂上電容器無(wú)損壞，參數(shù)平衡狀態(tài)良好。

之后，采用RTDS仿真研究龍泉站直流濾波器不平衡電流產(chǎn)生的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)名稱見(jiàn)下表：

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：1、當(dāng)電容器C1無(wú)損壞時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行或有暫態(tài)擾動(dòng)對(duì)不平衡電流都沒(méi)有影響；2、當(dāng)電容器C1有微小損壞時(shí)，不平衡電流受影響程度與電容值的變化率、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)：不平衡電流的幅值和振蕩時(shí)間都與電容值的變化率出正比；系統(tǒng)有擾動(dòng)時(shí)不平衡電流的幅值遠(yuǎn)大于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的幅值；3、即使電容器C1的電容值在允許誤差范圍內(nèi)變化，當(dāng)系統(tǒng)有擾動(dòng)時(shí)，不平衡電流的幅值大、振蕩時(shí)間長(zhǎng)，極有可能達(dá)到保護(hù)動(dòng)作值。4、電容器C1不平衡電流的原因有兩方面，一是C1電容器上的雜散電容和雜散電感引起暫態(tài)振蕩電流，二是電容器有微小損壞。5、不平衡電流中含有大量間諧波，對(duì)電容器的影響最為嚴(yán)重，應(yīng)該考慮調(diào)整濾波參數(shù)有效濾除非整數(shù)次諧波。

因龍政直流輸電工程中，要求每側(cè)換流站每極必須必須投入一組直流濾波器，為保證直流系統(tǒng)不因直流濾波器跳閘而閉鎖，將直流濾波器電容器不平衡保護(hù)改投報(bào)警。

5 結(jié)論與展望

從龍政直流工程中可以看出，換流站通過(guò)增加換流器的脈沖數(shù)，以及在交、直流側(cè)裝設(shè)濾波器，特征諧波得到了有效的抑制。但是，交直流側(cè)的非特征諧波抑制情況不甚良好，甚至?xí)?duì)運(yùn)行設(shè)備產(chǎn)生一定的影響。因此在今后的直流工程中，應(yīng)加強(qiáng)非特征諧波的抑制。

根據(jù)龍泉站及已投運(yùn)的幾個(gè)直流工程可以看出，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)在運(yùn)的直流輸電工程中濾波器主要采用的是無(wú)源濾波器，這種設(shè)備的特點(diǎn)是其受到系統(tǒng)參數(shù)的影響比較大，并且容易同系統(tǒng)以及其它的濾波支路發(fā)生串并聯(lián)諧振，在對(duì)待諧波方面，其作用的發(fā)揮也比較有限，只能消除特定的幾次諧波，對(duì)于其它的諧波則會(huì)起到相反的放大作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2004

[2]GTO thyristor applications for HVDC transmission systems， IEEE 1990.

[3]王兆安，楊 君，劉進(jìn)軍. 諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998，30-33

[4]趙芫萍.直流輸電系統(tǒng)的諧波危害及抑制措施. 廣西電力工程，2000，（2）：58-70

作者簡(jiǎn)介：

董臣（1986-），男，湖北宜昌人，工程師，現(xiàn)工作于國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司特高壓交直流運(yùn)檢中心，從事直流換流站運(yùn)維工作。